【導(dǎo)讀】較大型醫(yī)療系統(tǒng)一般采用分布式電源架構(gòu),需要對總線到子系統(tǒng)的工作電壓進行隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換,而隔離式 DC/DC應(yīng)用中反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計卻十分困難:存在著穩(wěn)定性問題,而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化,甚至定制變壓器的需求還會使該問題更加復(fù)雜。這些問題該怎么解決呢?凌力爾特教你簡化隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。
需要一個簡單的低功率隔離式內(nèi)務(wù)處理電源、又不想買現(xiàn)成有售的模塊?制造或購買決策取決于很多因素,但是是否足夠簡單、解決方案尺寸、價格和性能對于走哪條路有重大影響。包括某些醫(yī)療系統(tǒng)在內(nèi)的幾種類型應(yīng)用需要具備輸入至輸出隔離的電源。
實現(xiàn)與噪聲源電壓的接地分離是需要使用一個隔離式電源 (特別是在醫(yī)療設(shè)備中) 的原因之一。僅以醫(yī)用檢查照相機、牙科器械、睡眠和生命體征監(jiān)測儀等為例,它們都采用了顯示器,而這些顯示器會受到噪聲源電壓的不良影響。隔離式電源可提供接地分離,從而能夠消除導(dǎo)致顯示異常的噪聲。
較大型的醫(yī)療系統(tǒng) (例如: CT 掃描、血氣電解質(zhì)分析儀和一些超聲系統(tǒng)) 由于有多個 PC 電路板用于各種不同的功能,所以一般采用分布式電源架構(gòu),并且通常向整個系統(tǒng)分配 24V 或 48V 總線電壓。為了提高可靠性并出于安全原因,分布式電源架構(gòu)通常需要對總線到子系統(tǒng)的工作電壓進行隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換。這種類型的總線電壓能提供很大的電流,而且需要隔離以防止在短路故障情況下可能導(dǎo)致的危險。
很多年來,反激式轉(zhuǎn)換器一直廣泛用于隔離式 DC/DC 應(yīng)用。不過,這類轉(zhuǎn)換器未必是設(shè)計師的首選。電源設(shè)計師之所以被迫選擇反激式轉(zhuǎn)換器,是因為需要滿足功率較低的隔離需求,而不是因為這類轉(zhuǎn)換器易于設(shè)計。由于控制環(huán)路中眾所周知的右半平面零點之原因,反激式轉(zhuǎn)換器存在著穩(wěn)定性問題,而且光耦合器的傳播延遲、老化和增益變化還會使該問題更加復(fù)雜。
此外,使用反激式轉(zhuǎn)換器時,需要花費大量時間來設(shè)計變壓器,而通?,F(xiàn)成有售的變壓器可選范圍有限,可能需要定制變壓器,這就使事情更加復(fù)雜了。最近在電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域取得的進步已經(jīng)使更低功率的隔離式轉(zhuǎn)換器更容易設(shè)計。凌力爾特公司最近推出的 LT8300 隔離型反激式轉(zhuǎn)換器就解決了很多這類反激式設(shè)計的問題。
基于 LT8300 的電路無需光耦合器、副端參考電壓以及無需電源變壓器額外提供第三個繞組,因而簡化了隔離型反激式轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。這款器件僅用一個跨隔離勢壘的組件,就保 持了主端至副端隔離。可方便地買到現(xiàn)成有售的變壓器,并不需要定制變壓器。LT8300 在 5V 至 100V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作,提供高達 2W 的輸出功率,從而使其非常適用于種類繁多的醫(yī)療、工業(yè)、電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用。
簡單的反激式 IC 設(shè)計
LT8300 免除了增設(shè)光耦合器、副端基準(zhǔn)電壓和電源變壓器附加第三繞組的需要,同時僅用一個電源變壓器就可保持主端和副端隔離,而這電源變壓器必須橫跨隔離勢壘。LT8300 運用了一種主端檢測方案,該方案能通過反激式變壓器主端開關(guān)節(jié)點波形來檢測輸出電壓。在開關(guān)斷開期間,輸出二極管負(fù)責(zé)向輸出端提供電流,而輸出電壓被反射至反激式變壓器的主端。開關(guān)節(jié)點電壓的數(shù)值是輸入電壓與反射輸出電壓之和 (LT8300 能夠重構(gòu))。這種輸出電壓反饋方法在整個電壓、負(fù)載和溫度范圍內(nèi),可產(chǎn)生好于 ±5% 的總體穩(wěn)定度。圖 1 顯示了采用 LT8300 和僅 7 個外部組件的反激式轉(zhuǎn)換器的原理圖。
圖 1:具主端輸出電壓檢測的 LT8300 反激式轉(zhuǎn)換器
LT8300 采用小型 5 引線 SOT-23 封裝,接受 5V 至 100V 的輸入電壓,這無需串聯(lián)降壓電阻器就可直接加到該 IC 上。由于有高壓內(nèi)置 LDO,而且 SOT-23 封裝上的引腳 4 和 5 有固有的額外間距,所以該器件能以高輸入電壓可靠地運行。此外,其內(nèi)置的 260mA、150V 內(nèi)部 DMOS 電源開關(guān)允許該器件提供高達約 2W 的輸出功率。
此外,LT8300 在輕負(fù)載時以低紋波突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作,這可將靜態(tài)電流降至僅為 330uA,這種功能延長了休眠模式的電池運行時間。其他特點包括內(nèi)部軟啟動和欠壓閉鎖。變壓器匝數(shù)比和一個外部電阻器就是設(shè)定輸出電壓全部的所需。
主端輸出電壓檢測
隔離式轉(zhuǎn)換器的輸出電壓檢測通常需要一個光耦合器和副端參考電壓。光耦合器通過光鏈路發(fā)送輸出電壓反饋信號,同時保持隔離勢壘。然而,光耦合器傳輸比隨溫度和老化而改變,從而降低了準(zhǔn)確度。不同的光耦合器單元之間還可能是非線性的,這導(dǎo)致不同的電路有不同的增益 / 相位特性。運用一個額外的變壓器繞組實現(xiàn)電壓反饋的反激式設(shè)計還可以取代光耦合器,用來閉合反饋環(huán)路。不過,這個額外的變壓器繞組增大了變壓器的尺寸和成本。
通過檢測變壓器主端上的輸出電壓,LT8300 無需光耦合器或額外的變壓器繞組。當(dāng)功率晶體管關(guān)斷時,在主端開關(guān)節(jié)點波形上可準(zhǔn)確地測量輸出電壓,如圖 2 所示,其中 N 是變壓器的匝數(shù)比,VIN 是輸入電壓,VC 是最高箝位電壓。
圖 2:典型的開關(guān)節(jié)點波形
邊界模式工作減小了轉(zhuǎn)換器的尺寸并改善穩(wěn)定性
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在副端電流降至零時,LT8300 反激式轉(zhuǎn)換器立即接通其內(nèi)部開關(guān),而當(dāng)開關(guān)電流達到預(yù)定義的電流限制時,該轉(zhuǎn)換器即關(guān)斷。因此它總是在連續(xù)導(dǎo)通模式與斷續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 轉(zhuǎn)換時工作,通常這稱為邊界模式或臨界導(dǎo)通模式。
邊界模式控制是一種可變頻率電流模式開關(guān)方案。當(dāng)內(nèi)部電源開關(guān)接通時,變壓器電流增加,直至達到其預(yù)設(shè)電流限值設(shè)定點為止。SW 引腳上的電壓上升至“輸出電壓除以變壓器副端-主端匝數(shù)比” + “輸入電壓”。當(dāng)流過二極管的副端電流減小至零時,SW引腳電壓下降至低于 VIN。內(nèi)部 DCM 比較器檢測到這一情況并重新接通開關(guān),從而重復(fù)該循環(huán)。
在每個周期結(jié)束時,邊界模式使副端電流返回到零,從而產(chǎn)生了不會引起負(fù)載調(diào)節(jié)誤差的寄生電阻壓降。此外,主反激開關(guān)總是在電流為零時接通,而輸出二極管沒有反向恢復(fù)損耗。這種功耗降低允許反激式轉(zhuǎn)換器以相對較高的開關(guān)頻率工作,與更低頻率的可替代設(shè)計相比,這反過來又減小了變壓器尺寸。圖 3 顯示了 SW 電壓和電流以及輸出二極管的電流。
圖 3:在邊界模式工作時的反激式轉(zhuǎn)換器波形
SW VOLTAGE:SW 電壓
SW CURRENT:SW 電流
DIODE CURRENT:二極管電流
以邊界模式工作時,負(fù)載調(diào)節(jié)非常好,因為反射的輸出電壓始終在二極管電流過零時采樣。LT8300 一般提供好于 ±2% 的負(fù)載調(diào)節(jié),如圖 4 所示。
圖 4:圖 1 所示原理圖的負(fù)載和電壓調(diào)節(jié)曲線
Output Load and Line Regulation:輸出負(fù)載和電壓調(diào)節(jié)
OUTPUT VOLTAGE:輸出電壓
LOAD CURRENT:負(fù)載電流
變壓器選擇以及設(shè)計時需要考慮的問題
變壓器規(guī)格和設(shè)計也許是成功應(yīng)用 LT8300 最關(guān)鍵的部分。除了低泄漏電感和緊耦合等涉及高頻隔離式電源變壓器設(shè)計的常規(guī)注意事項,變壓器的匝數(shù)比也必須嚴(yán)格控制。因為變壓器副端上的電壓是通過在主端采樣所得的電壓推斷的,所以匝數(shù)比必須嚴(yán)格控制,以確保一致的輸出電壓。
凌力爾特一直與領(lǐng)先的磁性元件制造商合作,以生產(chǎn)可與 LT8300 一起使用的預(yù)設(shè)計反激式變壓器。表 1 顯示了一部分推薦使用和現(xiàn)成有售的變壓器,這些變壓器分別來自 Wurth Elektronik、Pulse Engineering和 BH Electronics 公司。LT8300 數(shù)據(jù)表中列出了所有推薦使用的變壓器。這些變壓器一般能在持續(xù) 1 分鐘的時間內(nèi)承受 1500VAC 的主端至副端擊穿電壓。還可以使用更高的擊穿電壓和定制變壓器。
表 1:可與 LT8300 一起使用和現(xiàn)成有售的變壓器
在 www.linear.com.cn/LTspice 下載一個免費的 LTspice 軟件,就可以用表 1 中所列的任何變壓器建立一個 LT8300 電路的模型了。這種仿真產(chǎn)生能夠?qū)崿F(xiàn)的結(jié)果,有助于使這類轉(zhuǎn)換器的設(shè)計更容易,并可進一步確認(rèn)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。該仿真電路包括的信息有:電路如何啟動;就不同輸入電壓而言,電路對負(fù)載步進的反應(yīng)。要進行修改以及查看對電路性能的影響都很容易。